Existuje mnoho rôznych zariadení a mechanizmov, ktoré vám umožňujú merať teplotu. Niektoré z nich sa používajú v každodennom živote, niektoré - na rôzne fyzikálne výskumy, vo výrobných procesoch a iných odvetviach.
Jedným z takýchto zariadení je termočlánok. Princíp činnosti a schému tohto zariadenia zvážime v nasledujúcich častiach.
Fyzikálny základ činnosti termočlánku
Princíp činnosti termočlánku je založený na bežných fyzikálnych procesoch. Prvýkrát bol účinok, na ktorý toto zariadenie funguje, skúmaný nemeckým vedcom Thomasom Seebeckom.
Podstata javu, na ktorom spočíva princíp činnosti termočlánku, je nasledovná. V uzavretom elektrickom obvode, ktorý pozostáva z dvoch vodičov rôznych typov, pri vystavení určitej teplote okolia vzniká elektrický prúd.
Výsledný elektrický tok a okolitá teplota pôsobiaca na vodiče sú v lineárnom vzťahu. To znamená, že čím vyššia je teplota, tým väčší je elektrický prúd produkovaný termočlánkom. Natoto je princíp činnosti termočlánku a odporového teplomera.
V tomto prípade je jeden termočlánkový kontakt umiestnený v mieste, kde je potrebné merať teplotu, nazýva sa to "horúce". Druhý kontakt, inými slovami - "studený", - v opačnom smere. Použitie termočlánkov na meranie je povolené len vtedy, keď je teplota vzduchu v miestnosti nižšia ako v mieste merania.
Toto je stručná schéma činnosti termočlánku, princíp činnosti. O typoch termočlánkov sa bude diskutovať v ďalšej časti.
Typy termočlánkov
V každom odvetví, kde sú potrebné merania teploty, je termočlánok hlavnou aplikáciou. Zariadenie a princíp činnosti rôznych typov tejto jednotky sú uvedené nižšie.
Chrómovo-hliníkové termočlánky
Tieto termočlánkové obvody sa vo väčšine prípadov používajú na výrobu rôznych senzorov a sond, ktoré umožňujú regulovať teplotu v priemyselnej výrobe.
Ich charakteristické znaky zahŕňajú pomerne nízku cenu a veľký rozsah nameraných teplôt. Umožňujú vám nastaviť teplotu od -200 do +13000 stupňov Celzia.
V obchodoch a zariadeniach s vysokým obsahom síry vo vzduchu nie je vhodné používať termočlánky s podobnými zliatinami, pretože tento chemický prvok negatívne ovplyvňuje chróm aj hliník a spôsobuje poruchy v zariadení.
Chromel-Kopel termočlánky
Princíp činnosti termočlánku, ktorého kontaktná skupina pozostáva z týchto zliatin, je rovnaký. Ale tieto zariadenia pracujú hlavne v kvapalnom alebo plynnom médiu, ktoré má neutrálne, neagresívne vlastnosti. Horný teplotný index nepresahuje +8000 stupňov Celzia.
Používa sa podobný termočlánok, ktorého princíp umožňuje jeho použitie na určenie stupňa ohrevu akýchkoľvek povrchov, napríklad na určenie teploty otvorených pecí alebo iných podobných štruktúr.
Železo-konštantné termočlánky
Táto kombinácia kontaktov v termočlánku nie je taká bežná ako prvá z uvažovaných odrôd. Princíp činnosti termočlánku je rovnaký, ale táto kombinácia sa dobre ukázala v riedkej atmosfére. Maximálna úroveň nameranej teploty by nemala presiahnuť +12500 stupňov Celzia.
Ak však teplota začne stúpať nad +7000 stupňov, existuje nebezpečenstvo narušenia presnosti merania v dôsledku zmien fyzikálnych a chemických vlastností železa. Existujú dokonca prípady korózie železného kontaktu termočlánku v prítomnosti vodnej pary v okolitom vzduchu.
Platinoródium-platinové termočlánky
Najdrahší termočlánok na výrobu. Princíp činnosti je rovnaký, ale líši sa od svojich náprotivkov veľmi stabilnými a spoľahlivými údajmi o teplote. Má zníženú citlivosť.
Hlavnou aplikáciou týchto zariadení je meranie vysokých teplôt.
Volfrámovo-réniové termočlánky
Používa sa aj na meranie ultravysokých teplôt. Maximálny limit, ktorý je možné pomocou tejto schémy opraviť, dosahuje 25 tisíc stupňov Celzia.
Ich aplikácia si vyžaduje splnenie určitých podmienok. V procese merania teploty je teda potrebné úplne eliminovať okolitú atmosféru, ktorá má negatívny vplyv na kontakty v dôsledku oxidačného procesu.
Na tento účel sa volfrámovo-réniové termočlánky zvyčajne umiestňujú do ochranných puzdier naplnených inertným plynom na ochranu ich prvkov.
Vyššie bol zvážený každý existujúci termočlánok, zariadenie, jeho princíp činnosti v závislosti od použitých zliatin. Teraz zvážte niekoľko dizajnových prvkov.
Design termočlánkov
Existujú dva hlavné typy dizajnov termočlánkov.
- S izolačnou vrstvou. Táto konštrukcia termočlánku zabezpečuje izoláciu pracovnej vrstvy zariadenia od elektrického prúdu. Toto usporiadanie umožňuje použitie termočlánku v procese bez izolácie vstupu od zeme.
- Bez použitia izolačnej vrstvy. Takéto termočlánky je možné pripojiť len k meracím obvodom, ktorých vstupy nie sú v kontakte so zemou. Ak táto podmienka nie je splnená, zariadenie vytvorí dva nezávislé uzavreté okruhy, čo bude mať za následok neplatné hodnoty termočlánkov.
Cestovný termočlánok a jeho použitie
Existuje samostatnýdruh tohto zariadenia, nazývaného "beh". Teraz sa budeme podrobnejšie zaoberať princípom fungovania bežiaceho termočlánku.
Tento dizajn sa používa hlavne na zisťovanie teploty oceľového predvalku počas jeho spracovania na sústružníckych, frézovacích a iných podobných strojoch.
Treba poznamenať, že v tomto prípade je možné použiť aj bežný termočlánok, ak však výrobný proces vyžaduje vysokú presnosť teploty, je ťažké preceňovať bežiaci termočlánok.
Pri aplikácii tejto metódy sú jeho kontaktné prvky vopred prispájkované do obrobku. Potom sú počas spracovania polotovaru tieto kontakty neustále vystavené pôsobeniu frézy alebo iného pracovného nástroja stroja, v dôsledku čoho sa zdá, že spojenie (ktoré je hlavným prvkom pri meraní teploty) „beží“.” pri kontaktoch.
Tento efekt je široko používaný v kovospracujúcom priemysle.
Technologické vlastnosti dizajnu termočlánkov
Pri výrobe funkčného obvodu termočlánku sa spájkujú dva kovové kontakty, ktoré, ako viete, sú vyrobené z rôznych materiálov. Križovatka sa nazýva križovatka.
Treba poznamenať, že toto spojenie nie je potrebné vykonávať spájkovaním. Jednoducho otočte dva kontakty dohromady. Takáto výrobná metóda však nebude mať dostatočnú úroveň spoľahlivosti a môže tiež spôsobiť chyby pri meraní teploty.
Ak potrebujete merať vysokoteploty sa spájkovanie kovov nahrádza ich zváraním. Je to spôsobené tým, že vo väčšine prípadov má spájka použitá v spojení nízky bod topenia a pri jeho prekročení sa rozpadá.
Zvárané obvody vydržia širší teplotný rozsah. Ale tento spôsob pripojenia má aj svoje nevýhody. Vnútorná štruktúra kovu pri vystavení vysokým teplotám počas procesu zvárania sa môže zmeniť, čo ovplyvní kvalitu získaných údajov.
Okrem toho je potrebné počas prevádzky monitorovať stav kontaktov termočlánku. Je teda možné meniť charakteristiky kovov v obvode vplyvom agresívneho prostredia. Môže dôjsť k oxidácii alebo interdifúzii materiálov. V takejto situácii by sa mal pracovný okruh termočlánku vymeniť.
Typy termočlánkových prechodov
Moderný priemysel vyrába niekoľko dizajnov, ktoré sa používajú pri výrobe termočlánkov:
- open junction;
- s izolovaným spojom;
- s uzemnenou križovatkou.
Vlastnosťou termočlánkov s otvoreným spojením je slabá odolnosť voči vonkajším vplyvom.
Nasledovné dva typy konštrukcie možno použiť pri meraní teplôt v agresívnych prostrediach, ktoré majú devastujúci účinok na kontaktný pár.
Okrem toho priemysel v súčasnosti ovláda schémy na výrobu termočlánkov pomocou polovodičových technológií.
Chyba merania
Správnosť nameraných hodnôt teploty získaných pomocou termočlánku závisí od materiálu skupiny kontaktov, ako aj od vonkajších faktorov. Posledne uvedené zahŕňajú tlak, radiačné pozadie alebo iné dôvody, ktoré môžu ovplyvniť fyzikálno-chemické parametre kovov, z ktorých sú kontakty vyrobené.
Chyba merania pozostáva z nasledujúcich komponentov:
- náhodná chyba spôsobená výrobným procesom termočlánku;
- chyba spôsobená porušením teplotného režimu "studeného" kontaktu;
- chyba spôsobená vonkajším rušením;
- chyba ovládacieho zariadenia.
Výhody používania termočlánkov
Výhody používania týchto zariadení na reguláciu teploty bez ohľadu na aplikáciu zahŕňajú:
- veľký rozsah indikátorov, ktoré možno zaznamenať pomocou termočlánku;
- Spoj termočlánku, ktorý je priamo zapojený do merania, môže byť umiestnený v priamom kontakte s meracím bodom;
- Termočlánky sa ľahko vyrábajú, sú odolné a majú dlhú životnosť.
Nevýhody merania teploty termočlánkom
Nevýhody použitia termočlánku zahŕňajú:
- Potreba neustáleho monitorovania teploty "studeného" kontaktu termočlánku. Toto je príznačnékonštrukčná vlastnosť meracích prístrojov, ktoré sú založené na termočlánku. Princíp fungovania tejto schémy zužuje rozsah jej aplikácie. Môžu sa použiť iba vtedy, ak je teplota okolia nižšia ako teplota v mieste merania.
- Porušenie vnútornej štruktúry kovov používaných pri výrobe termočlánkov. Faktom je, že v dôsledku vystavenia vonkajšiemu prostrediu kontakty strácajú svoju jednotnosť, čo spôsobuje chyby v získaných indikátoroch teploty.
- Počas procesu merania je kontaktná skupina termočlánkov zvyčajne vystavená negatívnym vplyvom prostredia, ktoré spôsobuje poruchy v procese. To opäť vyžaduje utesnenie kontaktov, čo spôsobuje dodatočné náklady na údržbu takýchto snímačov.
- Na termočlánku, ktorého konštrukcia zabezpečuje dlhú kontaktnú skupinu, existuje riziko vystavenia elektromagnetickým vlnám. To môže tiež ovplyvniť výsledky merania.
- V niektorých prípadoch dochádza k porušeniu lineárneho vzťahu medzi elektrickým prúdom vyskytujúcim sa v termočlánku a teplotou v mieste merania. Táto situácia si vyžaduje kalibráciu ovládacieho zariadenia.
Záver
Metóda merania teploty pomocou termočlánkov, ktorá bola prvýkrát vynájdená a testovaná v 19. storočí, našla napriek svojim nedostatkom široké uplatnenie vo všetkých odvetviach moderného priemyslu.
Okrem toho existujú aplikácie, kde sa používajú termočlánkyje jediný spôsob, ako získať údaje o teplote. A po prečítaní tohto materiálu ste celkom úplne pochopili základné princípy ich práce.
